國(guó)家級(jí)論文刊發(fā)淺析組合木梁、柱構(gòu)研究

　　本篇文章是由《建筑節(jié)能》發(fā)表的一篇建筑論文，雜志，創(chuàng)刊于1973年，是由中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司主辦，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑節(jié)能中心、清華大學(xué)建筑節(jié)能中心和中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑材料分會(huì)協(xié)辦的國(guó)家級(jí)建筑節(jié)能專業(yè)技術(shù)期刊。

　　摘要：本文介紹了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在近幾年對(duì)組合木構(gòu)件的研究情況，介紹了加拿大我國(guó)與加拿大木結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)組合木構(gòu)件的構(gòu)造和設(shè)計(jì)要求，最后提出了組合木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞：組合木柱;組合木梁;設(shè)計(jì);發(fā)展前景

　　1.組合木的構(gòu)造規(guī)定

　　組合木構(gòu)件(Built-uptimbermember)是一種由多片規(guī)格材用釘或螺栓固定并排平行排列組合而成的木構(gòu)件，該組合木構(gòu)件分為組合梁和組合柱。

　　《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]中，介紹了應(yīng)用較廣的現(xiàn)場(chǎng)組合梁和組合柱，其中矩形木柱截面尺寸不應(yīng)小于140×140mm，且不小于所支承構(gòu)件的寬度。由整根規(guī)格材組成的組合柱，其每一層應(yīng)用長(zhǎng)76mm、釘間距為300mm的釘子固定，或者用直徑10mm、中心距為450mm的螺栓固定，每層的厚度不小于40mm。

　　當(dāng)組合截面梁采用40mm寬的規(guī)格材組成時(shí)，規(guī)格材之間應(yīng)沿梁高采用等分布置的雙排釘連接，釘長(zhǎng)不得小于90mm，釘之間的中心距不得大于450mm，釘子到每根規(guī)格材端部的距離應(yīng)為100～150mm。組合梁也可以通過(guò)直徑不小于12mm、中心距為1.2m的螺栓連接，螺栓到規(guī)格材端部的距離不超過(guò)600mm。

　　我國(guó)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第9.4條“梁、柱和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)”中所給出組合梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定和《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》相同;對(duì)于組合梁和柱具體的計(jì)算方法沒(méi)有明確給出，在附錄J中做了如下說(shuō)明：當(dāng)規(guī)格材擱柵數(shù)量大于3根，且與樓面板、屋面板或其他構(gòu)件有可靠連接時(shí)，設(shè)計(jì)擱柵的抗彎承載力時(shí)，可將表中的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fm乘以1.15的共同作用系數(shù)。

　　加拿大《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]規(guī)定組合柱沿構(gòu)件長(zhǎng)度的釘間距不應(yīng)超過(guò)最薄構(gòu)件厚度的6倍，且垂直構(gòu)件長(zhǎng)度方向的間距不超過(guò)釘直徑的20倍;所有釘應(yīng)至少穿入最后一根單獨(dú)構(gòu)件厚度的3/4，且釘子應(yīng)沿組合構(gòu)件長(zhǎng)度從兩面交替打入;若組合構(gòu)件中單獨(dú)構(gòu)件的寬度大于其厚度的3倍以上，則構(gòu)件寬度上至少有2排釘。

　　2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1988年Allotey，I.A[4]等人發(fā)現(xiàn)在許多發(fā)展中國(guó)家，由于關(guān)鍵材料和核心技術(shù)的缺乏，橋梁建筑相當(dāng)耗費(fèi)金錢和精力。然而許多國(guó)家擁有豐富的可用于橋梁的木材資源。于是作者提出了一個(gè)適用于橋梁結(jié)構(gòu)的機(jī)械組合木梁，該研究理論基于實(shí)木梁的結(jié)構(gòu)性能，得到了機(jī)械組合木梁的有效慣性矩和有效橫截面剪切面積定義方法。

　　2003年澳大利亞全國(guó)林業(yè)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)提出組合梁的耐久性問(wèn)題，主要強(qiáng)調(diào)釘在其連接處因周圍環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定銹蝕，尤其是當(dāng)周圍存在腐蝕環(huán)境時(shí)要特別注意釘連接處的保護(hù)[5]。

　　2007年DonaldEBreyer在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》(DesignofWoodStructures)6]一書(shū)中指組合柱是由多根木片材用釘或螺栓連接在一起作為一個(gè)整體共同工作的柱。它有別于格構(gòu)柱(spacedcolumns)，片材間傳遞剪力的連接件需要特別設(shè)計(jì)。由于組合柱片材間的連接不能完全有效地傳遞剪力，其承載力可先按相同截面的原木計(jì)算，再由調(diào)整系數(shù)Kf折減，Kf由連接形式確定(如釘或螺栓連接)，同時(shí)要考慮兩個(gè)方向的長(zhǎng)細(xì)比(le/d)x與(le/d)y;其中，le為柱的有效長(zhǎng)度，d為截面寬度。

　　2009年KamachiKen[7]等通過(guò)對(duì)機(jī)械錨固的組合木梁大量的試驗(yàn)研究，建立了考慮層間滑移的多層組合梁的一般理論。并且得出了組合梁的性能介于平行弦桁架的彎曲性能和實(shí)木梁彎曲性能之間。

　　2010年Chancey，Ryan[8]等提出用石膏板做飾面來(lái)支撐木立柱墻，在木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越常見(jiàn)。但必須認(rèn)識(shí)到石膏板在大荷載、非重復(fù)柱構(gòu)件等條件下的局限性。這些局限性在設(shè)計(jì)組合木柱時(shí)應(yīng)特別注意作者建議：兩個(gè)或兩個(gè)以上的墻骨柱的承載力應(yīng)比設(shè)計(jì)成組合柱的單墻骨柱大;石膏板或其他墻壁嵌板只考慮對(duì)一根墻骨柱有支撐作用，且不應(yīng)提高墻骨柱的承載力;組合柱應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求，單獨(dú)設(shè)計(jì)。

　　2011年陳迪、熊海貝[9]等通過(guò)4組共22根組合木柱構(gòu)件的軸心受壓試驗(yàn)，對(duì)此類軸心構(gòu)件軸心受壓性能進(jìn)行研究。根據(jù)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，提出組合木柱連接釘對(duì)軸心受壓性能的提高沒(méi)有顯著影響;減小組合柱長(zhǎng)細(xì)比，增設(shè)金屬套箍能有效提高其承載力;長(zhǎng)細(xì)比的提高及片材數(shù)的增加能增強(qiáng)組合木柱的協(xié)同工作能力。

　　3.組合木構(gòu)件的設(shè)計(jì)

　　3.1組合木梁的計(jì)算公式

　　組合木梁的設(shè)計(jì)計(jì)算參見(jiàn)加拿大《木結(jié)構(gòu)手冊(cè)》[10]的規(guī)定，計(jì)算公式為：

　　(N·mm)(1)

　　(N)(2)

　　(N·mm2)(3)

　　(N)(當(dāng)擱柵支座槽口開(kāi)在受拉邊)(4)

　　式中：Mr—抗彎承載力(N·mm0;Vr—抗剪承載力(N);Fr—槽口抗剪承載力(N);ESI—抗彎剛度(N·mm2);Φ—0.9;Fb—fb(KDKHKSbKT)(MPa);fb—規(guī)定抗彎強(qiáng)度(MPa);S—截面模量(mm3);Fv—fv(KDKHKSbKT)(MPa);fv—規(guī)定抗剪強(qiáng)度(MPa);A—毛截面面積(mm2);E—規(guī)定彈性模量(MPa);I—慣性矩(mm2);當(dāng)擱柵支座缺口開(kāi)在受拉邊：Ff—ff(KDKHKSbKT)(MPa);ff—規(guī)定缺口抗剪強(qiáng)度。對(duì)鋸材全部取0.5MPa;KD—加載時(shí)間影響系數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受長(zhǎng)期荷載時(shí)取0.65，承受風(fēng)雪、地震等短期荷載時(shí)取1.15;KH—系統(tǒng)影響因素;KS—使用環(huán)境影響因素。干燥環(huán)境取1.0;KSE取0.94;KSb取0.84;KT—擱柵處理影響因素。對(duì)未經(jīng)防火、防腐等處理的或是經(jīng)過(guò)不減強(qiáng)度的藥劑處理過(guò)的擱柵取1.0;KZ—尺寸影響系數(shù);KN—缺口位置影響系數(shù);KL—橫向穩(wěn)定系數(shù)。